圖像渲染

如此大的計(jì)算量，使得人們絞盡腦汁去提高渲染的效率，人們也設(shè)計(jì)了很多方法和技巧。面要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的三維表現(xiàn)，就要借助顯示硬件的幫助——那就是圖形處理器。

應(yīng)該說有顯示系統(tǒng)就有圖形處理器(俗稱顯卡)，但是早期的顯卡只包含簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器和幀緩沖區(qū)，他們實(shí)際上只起了一個(gè)圖形的存儲(chǔ)和傳遞作用，圖像渲染主要是由CPU的運(yùn)算來完成的。尤其是對(duì)許多大型的三維圖形軟件來說，大部分時(shí)間都是在進(jìn)行渲染工作。圖像渲染會(huì)涉及到大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，象三維實(shí)體的位置變化，各種變換所需要的矩陣運(yùn)算，以及為追求真實(shí)感而設(shè)計(jì)的各種光線跟蹤，輻射度等算法，即使對(duì)性能很好的計(jì)算機(jī)，也是很大的工作量。所以以后發(fā)展的圖形處理器都有圖形處理的功能。它不單單存儲(chǔ)圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，這樣就大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了顯示能力和顯示速度。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，顯卡技術(shù)含量越來越高，功能越來越強(qiáng)，許多專業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強(qiáng)的3D處理能力，而且這些3D圖形卡也漸漸地走向個(gè)人計(jì)算機(jī)。一些專業(yè)顯卡具有的晶體管數(shù)甚至比同時(shí)代的CPU的晶體管數(shù)還多。如NVIDIA公司2002年11月出售的GeForceFX芯片，被稱為視覺處理器，具有12500萬顆晶體管，是同時(shí)代Pentium 4 CPU(具有5500萬顆晶體管)的兩倍。

真實(shí)感圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)重要組成部分，它的基本要求就是在計(jì)算機(jī)中生成三維場(chǎng)景的真實(shí)感圖形圖像。真實(shí)感圖形學(xué)已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、多媒體教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、科學(xué)計(jì)算可視化、動(dòng)畫制作、電影特技模擬、計(jì)算機(jī)游戲等許多方面，發(fā)揮了重要的作用，而且人們對(duì)于計(jì)算機(jī)在視覺感受方面的要求越來越嚴(yán)格，這就需要我們研究更多更逼真的真實(shí)感圖像生成算法。

對(duì)于場(chǎng)景中的物體，要得到它的真實(shí)感圖像，就要對(duì)它進(jìn)行透視投影，并作隱藏面的消隱，然后計(jì)算可見面的光照明暗效果，得到場(chǎng)景的真實(shí)感圖像顯示。但是，僅僅對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行隱藏面消除所得到的圖像真實(shí)感是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如何處理物體表面的光照明暗效果，通過使用不同的色彩灰度，來增加圖形圖像的真實(shí)感，這也是場(chǎng)景圖像真實(shí)感的主要來源。

計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖像是一種光柵圖像，由象素構(gòu)成。生成一幅真實(shí)感圖像時(shí)，我們必須逐個(gè)象素地計(jì)算畫面上相應(yīng)內(nèi)容表面區(qū)域的顏色。顯然在計(jì)算可見景物表面區(qū)域的顏色時(shí)，不但要考慮光源對(duì)該區(qū)域入射光及光亮度和光譜組成，而且還要考慮該表面區(qū)域?qū)庠吹某?，表面的材料和反射性質(zhì)等。這種計(jì)算必須基于一定的光學(xué)物理模型——光照明模型。基于場(chǎng)景幾何和光照模型生成一幅真實(shí)感圖像的過程稱之為繪制。常用的真實(shí)感圖像繪制算法包括掃描線算法，光線跟蹤算法，光能輻射度方法等。由于光柵圖像通常包含數(shù)十萬甚至上百萬個(gè)象素，因此，如何開發(fā)利用景物的空間連貫性和圖像連貫性，提高繪制算法效率是真實(shí)感圖像技術(shù)的研究重點(diǎn)。

圖像渲染是將三維的光能傳遞處理轉(zhuǎn)換為一個(gè)二維圖像的過程。場(chǎng)景和實(shí)體用三維形式表示，更接近于現(xiàn)實(shí)世界，便于操縱和變換，而圖形的顯示設(shè)備大多是二維的光柵化顯示器和點(diǎn)陣化打印機(jī)。從三維實(shí)體場(chǎng)景的表示N維光柵和點(diǎn)陣化的表示就是圖像渲染——即光柵化。光柵顯示器可以看作是一個(gè)象素矩陣，在光柵顯示器上顯示的任何一個(gè)圖形，實(shí)際上都是一些具有一種或多種顏色和灰度象素的集合。

在圖像渲染前，需要準(zhǔn)備好三維幾何模型信息，三維動(dòng)畫定義信息和材質(zhì)信息。其中三維幾何模型通過三維掃描，三維交互幾何建模和三維模型庫(kù)中獲??；三維動(dòng)畫定義通過運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)捕捉，運(yùn)動(dòng)計(jì)算和動(dòng)態(tài)變形中獲?。翰馁|(zhì)從掃描的照片，計(jì)算機(jī)計(jì)算出的圖像和人畫出的圖畫中獲取。圖像渲染中要完成的工作是：通過幾何變換，投影變換，透視變換和窗口剪裁，再通過獲取的材質(zhì)與光影信息，生成圖像。圖像渲染結(jié)束后，會(huì)把圖像信息輸出到圖像文件或視頻文件，或者是顯示設(shè)備的幀緩存器中完成圖形生成。

正像人們意識(shí)到繪畫的最終目的并不僅僅是模仿自然和真實(shí)再現(xiàn)外部世界，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖像渲染領(lǐng)域，更應(yīng)該有多樣化的目標(biāo)和選擇。

尤其在近十年以來，這種多樣化的探索形成了一個(gè)高潮，一個(gè)術(shù)語漸漸流行起來，它就是“非真實(shí)感圖像渲染(NPR，Non-photorealistic Rendering)”，又稱之為風(fēng)格化渲染。非真實(shí)感圖像渲染并不關(guān)心像照片般真實(shí)地再現(xiàn)客觀世界，恰恰相反，它更專注于圖形個(gè)性化和藝術(shù)化的表達(dá)。在非真實(shí)感圖像渲染中，需要對(duì)渲染內(nèi)容和方式做出主動(dòng)的選擇。對(duì)內(nèi)容創(chuàng)造者(Comem Creator)來說他認(rèn)為重要的部分要重點(diǎn)表現(xiàn)，而且要用他認(rèn)為合適的方式來表現(xiàn)，而被創(chuàng)作內(nèi)容在視覺上的真實(shí)并不是被考慮的重點(diǎn)。非真實(shí)感圖像渲染經(jīng)常由一個(gè)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，這個(gè)程序以一幅圖像或三維實(shí)體為輸入，而輸出特定藝術(shù)風(fēng)格的圖像。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究人員的趣昧的變化與繪畫歷史的發(fā)展有相似之處。在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史階段中，畫家們都以真實(shí)再現(xiàn)外部世界為最高目標(biāo)，并為此創(chuàng)造了許多方法和技巧(如透視等)。而畫家的趣味也在改變，尤其是在照相機(jī)發(fā)明之后，因?yàn)闆]有人能夠象照相機(jī)那樣真實(shí)地再現(xiàn)外部世界。他們把目光投入到內(nèi)心深處，于是又產(chǎn)生大量的個(gè)人化藝術(shù)化和風(fēng)格多樣的繪畫流派和藝術(shù)體驗(yàn)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究人員在圖像演染中也發(fā)現(xiàn)了更多樣的選擇，在這個(gè)領(lǐng)域做出了大量的嘗試和探索。

過去曾被西方稱為印度墨渲染（indianink rendering）,現(xiàn)在被西方稱為中國(guó)墨渲染(chinese stick ink rendering).這是一種以墨色深淺表現(xiàn)明暗效果 與建筑形體和材料質(zhì)感的技法。說多了講不清楚，請(qǐng)看下面的實(shí)際渲染圖。

通俗一點(diǎn)說，渲染圖和照片差不多。左邊這幅渲染圖相當(dāng)于黑白照片。只不過要等建筑建成后人才能拍照片，而渲染就是建筑師在設(shè)計(jì)建筑時(shí)想讓建筑建成后變成這樣，有一個(gè)時(shí)間順序而已。

圖像可以分解為結(jié)構(gòu)和紋理2大部分，其中的結(jié)構(gòu)信息體現(xiàn)的是圖像的整體框架，包含圖像的邊緣等重要的描述信息，而紋理信息體現(xiàn)的是圖像框架中的細(xì)節(jié)部分。

TV模型容易在各向異性擴(kuò)散的過程中，將平滑區(qū)域噪聲作為邊緣而產(chǎn)生階梯效應(yīng)，而分解出來的結(jié)構(gòu)圖像，去除了圖像的噪聲。因此，對(duì)圖像的結(jié)構(gòu)部分使用基于TV模型圖像修復(fù)，就能避免噪聲干擾引入的階梯效應(yīng)，但是此時(shí)還存在一個(gè)問題，利用結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行TV模型的擴(kuò)散修復(fù)，僅能避免原來圖像中噪聲對(duì)圖像造成的階梯效應(yīng)，而對(duì)于圖像中的邊緣部分圖像梯度變化大的地方即圖像的特征點(diǎn)，如還沿著梯度的垂直方向擴(kuò)散，則必然會(huì)造成圖像特征點(diǎn)的迷糊化，因此，為保證圖像的特征點(diǎn)的保持，必須在修復(fù)過程中將圖像的特征點(diǎn)提取出，保證對(duì)特征點(diǎn)不沿著圖像的梯度正交方向擴(kuò)散。

在圖像的結(jié)構(gòu)部分采用以下的修復(fù)方程：

該修復(fù)方程利用圖像分解技術(shù)提取圖像結(jié)構(gòu)部分，避免了原始TV模型容易引入的階梯效應(yīng)，防止修復(fù)結(jié)果出現(xiàn)假邊緣，同時(shí)，對(duì)于圖像中存在的特征點(diǎn)能很好地實(shí)現(xiàn)保留。